1引言

目前，我國造紙行業(yè)的控制系統(tǒng)主要采用集散控制系統(tǒng)(dcs)，控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠大量的i/o電纜連接，不僅增加成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。

控制系統(tǒng)傳送4～20ma信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，這樣，由于控制器獲得的信息量有限，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能比較弱；另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等功能，造成造紙控制系統(tǒng)的信息集成能力不強(qiáng)和可維護(hù)性較差，影響工廠的生產(chǎn)效率，并給生產(chǎn)管理帶來諸多不便。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，串行現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)已深入到自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域。應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)可以將可編程序控制器、交直流驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程i/o及智能傳感器等連接起來，實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算機(jī)控制，可提高檢測(cè)和控制的精度，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的安全性，因而建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線的紙機(jī)控制系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。

profibus過程現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于工廠/車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)。profibus-dp是profibus過程現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的工廠自動(dòng)化控制子集。因此其在紙機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，將大大減少布線工作量與電纜投資，避免信號(hào)干擾，使系統(tǒng)更可靠，操作更簡便，監(jiān)控更直觀。正是基于上述原因，山東中茂圣源紙漿有限公司紙板紙機(jī)項(xiàng)目工程中采用了profibus-dp現(xiàn)產(chǎn)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該機(jī)組的通信及分布式控制，取得了良好的效果。

2紙板造紙工藝分析

圖1所示的紙板造紙機(jī)示意圖中，可以看到該紙機(jī)是一種由多臺(tái)設(shè)備組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)。濕部包括漿料流送設(shè)備、網(wǎng)部和壓榨部；干部包括干燥部、切紙機(jī)和理紙機(jī)。具有適合抄紙性能的漿料進(jìn)入造紙機(jī)的漿料流送設(shè)備，經(jīng)漿流分布器和流漿箱的分布和勻整以后，均勻而穩(wěn)定的流送到運(yùn)動(dòng)著的成形網(wǎng)的網(wǎng)面上。漿流在網(wǎng)部逐漸地過濾、脫水，形成連續(xù)的濕的紙幅。當(dāng)濕紙幅脫水到一定干度，便可以從網(wǎng)面剝離，送至壓榨部繼續(xù)脫水。壓榨部是由若干組輥式壓榨組成。濕紙幅是由壓榨毛毯支托著，在壓輥間用機(jī)械擠壓的方法脫水。為了保持壓榨毛毯的良好脫水性能，壓榨輥上配設(shè)有毛毯洗滌裝置。經(jīng)壓榨部后，濕紙幅的干度一般可達(dá)40%左右。然后濕紙幅經(jīng)氣墊式烘干箱進(jìn)一步脫水。干燥后的紙板經(jīng)牽引輥進(jìn)入切紙機(jī)，經(jīng)縱切刀由送紙輥進(jìn)入橫切部分，橫切甩刀將紙幅切斷送出。切斷的紙經(jīng)輸送輥、高速輸送帶、低速輸送帶、壓紙帶送往理紙機(jī)。最后打包稱重，整個(gè)工序完成。

圖1紙板紙機(jī)示意圖

2.1穩(wěn)速的要求

造紙機(jī)由紙漿到形成紙張，需經(jīng)過多個(gè)分部，因此是一個(gè)多單元的速度協(xié)調(diào)系統(tǒng)，各個(gè)分部間的速度要求嚴(yán)格配合，根據(jù)工藝流程，一般有以下關(guān)系：只要其中一個(gè)分部速度不穩(wěn)，就會(huì)無法維持生產(chǎn)，紙幅不是斷裂，就是松垮下來。如果整臺(tái)紙機(jī)車速不穩(wěn)，就不能保證紙張的定量(每平方米紙頁的重量)不變。因此要求紙機(jī)的各分部都能穩(wěn)速。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，有許多干擾因素破壞速度的穩(wěn)定，例如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、頻率的變化、負(fù)載的波動(dòng)、溫度的變化等等，對(duì)電氣傳動(dòng)自動(dòng)化控制的要求是克服這些干擾的影響，保證車速的穩(wěn)定。

2.2平穩(wěn)起動(dòng)的要求

紙機(jī)中有的分部要求平穩(wěn)起動(dòng)，例如網(wǎng)部起動(dòng)太快就會(huì)損壞銅網(wǎng)；干燥部傳動(dòng)慣量比較大，起動(dòng)太猛會(huì)把機(jī)械連軸扭斷，因此要求整個(gè)系統(tǒng)能平穩(wěn)起動(dòng)，而且各分部要能單獨(dú)起動(dòng)和停止。

2.3紙機(jī)速度鏈

由于各分部傳送著生產(chǎn)過程中的紙張，根據(jù)造紙工藝的要求，各分部間要求達(dá)到線速度比例協(xié)調(diào)(相鄰兩個(gè)分部間的線速度比值應(yīng)保持恒定)，高精度地、可靠地保持這個(gè)比例系數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)正常運(yùn)行的重要條件，任何原因破壞這種比例協(xié)調(diào)，就會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，紙機(jī)的這種速度比例協(xié)調(diào)關(guān)系應(yīng)在該變車速或停機(jī)后重新開機(jī)時(shí)繼續(xù)保持，而不需重新調(diào)節(jié)。其次，這種比例協(xié)調(diào)應(yīng)具有微調(diào)功能，以調(diào)節(jié)相鄰兩分部間的速差，避免紙張?jiān)趥魉瓦^程中的松弛和繃緊現(xiàn)象，并且速度微調(diào)應(yīng)該靈敏、可靠，不應(yīng)在調(diào)過程中有明顯的滯后現(xiàn)象。比例協(xié)調(diào)關(guān)系如下：

n1=k1(n0+δn0)

n2=k2(n1+δn1)

n3=k3(n2+δn2)

n4=k4(n3+δn3)

本系統(tǒng)中，采用profibus-dp過程現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)合plc程序來完成速度鏈的控制，避免了運(yùn)算放大器的速度鏈給定環(huán)節(jié)的信號(hào)漂移，提高了穩(wěn)定性。

3工藝自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件構(gòu)成

根據(jù)紙板紙機(jī)的工藝要求，該控制系統(tǒng)有profibus-dp構(gòu)成單主從工作方式，如圖2所示。主站選用siemens的s7-300plc(cpu313c-2dp)，站地址設(shè)為2，實(shí)現(xiàn)總線通信控制和管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問。網(wǎng)部、壓榨部、干燥部和切紙機(jī)的各變頻器(mm440)為從站，地址分別為3，4，5，6，7，8，9，10?，F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏通過mpi口與plc相連，其地址設(shè)為1。上位機(jī)通過cp5611與主站plc連接，地址使用默認(rèn)值0。理紙機(jī)部分的遠(yuǎn)程i/o(et200m)地址為11。主站plc與變頻器及現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊，完成整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)過程中的速度鏈、負(fù)荷分配、張力控制等功能?，F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示各分布點(diǎn)的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)各變頻器的運(yùn)行、故障狀態(tài)，通過它可以對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。plc實(shí)時(shí)的接受來自上位機(jī)和觸摸屏的優(yōu)化控制指令，自動(dòng)調(diào)節(jié)各分部的速度以適應(yīng)生產(chǎn)需求。同時(shí)plc將各分部的運(yùn)行參數(shù)送往上位機(jī)，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。整個(gè)系統(tǒng)采用profibus-dp現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實(shí)現(xiàn)都由現(xiàn)場(chǎng)總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸，省去了傳統(tǒng)的線路接點(diǎn)。大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化，徹底杜絕了現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

3.2軟件設(shè)計(jì)

plc的編程使用s7系列的編程軟件step7v5.3，通過其對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置，如通信端口的設(shè)置，站地址和數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)定等；然后對(duì)主站s7-300進(jìn)行硬件組態(tài)，通過配置，cpu313c-2dp可以各個(gè)變頻器和et200m的i/o分配地址，這樣從編程角度來看，cpu313c-2dp隊(duì)給從站的控制如同本機(jī)的i/o一樣。

step7v5.3軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，整個(gè)控制程序由ob組織塊、fc功能塊、db數(shù)據(jù)塊等構(gòu)成?？刂谱质乾F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)控制傳動(dòng)單元的基本手段。控制字由現(xiàn)場(chǎng)總線控制器(plc)發(fā)送給傳動(dòng)單元，傳動(dòng)單元根據(jù)控制字的位編碼指示作出相應(yīng)動(dòng)作。狀態(tài)字是一個(gè)包含了狀態(tài)信息的字，它由傳動(dòng)單元發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)總線控制器(plc)。組織塊ob是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行。不同的ob有不同的功能。本設(shè)計(jì)中組織塊有ob1、ob20、ob35、ob82、ob86、ob87、ob100、ob121、ob122。

ob1是用作主程序循環(huán)的，它用來設(shè)計(jì)主循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)；在用戶程序延時(shí)中斷ob20種調(diào)用了系統(tǒng)功能塊sfc32(“srt_dint”啟動(dòng)延時(shí)中斷)、sfc33(“can_dint”取消延時(shí)中斷)、sfc34(“qry_dint”查詢延時(shí)中斷的狀態(tài))。ob35是程序循環(huán)中斷組織塊；ob82是診斷中斷程序，診斷接受來自有診斷能力的模塊；ob86是機(jī)架錯(cuò)誤中斷，ob87通訊錯(cuò)誤中斷；ob100屬于啟動(dòng)組織塊，是暖啟動(dòng)用的；ob121是程序錯(cuò)誤組織塊，ob122是訪問錯(cuò)誤組織塊，屬于故障處理組織塊。ob1是主程序，主要完成系統(tǒng)的初始化、初始參數(shù)設(shè)定、調(diào)用子程序。fc是自定義的子程序塊，包括網(wǎng)部控制、壓榨部控制、干燥部控制、切紙機(jī)控制、理紙機(jī)控制、故障處理、數(shù)據(jù)采集與處理等功能塊。數(shù)據(jù)塊db用來存放用戶程序運(yùn)行所需的大量數(shù)據(jù)或變量，它也是實(shí)現(xiàn)各程序塊之間交換、傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)的通信主要是通過都區(qū)和改變下位機(jī)的db塊來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了8個(gè)db塊，分別表示實(shí)際速度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定速度數(shù)據(jù)塊、電流數(shù)據(jù)塊、時(shí)鐘背景數(shù)據(jù)塊、報(bào)警數(shù)據(jù)塊、實(shí)際溫度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定溫度數(shù)據(jù)塊和紙板尺寸數(shù)據(jù)塊。通過讀取下位機(jī)的db塊，上位機(jī)上顯示相應(yīng)的速度、紙板尺寸和報(bào)警等相應(yīng)信息。通過觸摸屏改變下位機(jī)相應(yīng)的db塊數(shù)據(jù)，就可以生產(chǎn)達(dá)到預(yù)期的目的。

圖2紙板紙機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

上位機(jī)采用visualc++進(jìn)行畫面顯示設(shè)計(jì)，通過dll獲得plc的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)管理，報(bào)表打印和故障記錄和分析等?，F(xiàn)場(chǎng)觸摸屏通過siemens的hmi組態(tài)軟件protoolv6.0進(jìn)行組態(tài)和編制畫面。觸摸屏畫面是以設(shè)備圖為底并分段細(xì)化。從觸摸屏上可以輕松觀察系統(tǒng)總圖、各分部圖，直至每個(gè)分布的傳感器的狀態(tài)。利用觸摸屏提供的輸入/輸出、棒圖、曲線圖、字符、幫助信息、口令和畫面切換等功能，可以觀察和設(shè)定變頻器的頻率、轉(zhuǎn)速及當(dāng)前實(shí)際的頻率和轉(zhuǎn)速、紙機(jī)的運(yùn)行狀況等。

4結(jié)束語

工程實(shí)踐證明，本控制系統(tǒng)采用profibus-dp網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式控制，可以大大降低現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接的工作量和費(fèi)用，提高信號(hào)的傳輸精度與靈活性，降低系統(tǒng)成本，給安裝、調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來方便。profibus-dp網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)，是pc、plc與其他智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的優(yōu)選網(wǎng)絡(luò)。